神秘的有机浮渣提高化学反应效率 - 发现可能会降低制造业的环境影响

伊利诺伊州的研究人员是多机构团队的一部分，发现溶剂与金属纳米颗粒自发地反应，形成可改善催化剂性能的反应性复合物，并同时降低化学制造的环境影响。根据D.Flaherty等，Science 371：6529（2021）的许可转载。

化学制造商经常使用含酒精和苯如药物和塑料等毒性溶剂。研究人员正在检查用于制造这些产品的化学反应中的先前忽略和误解的现象。这一发现为催化化学和普通术的新基础知识带来了一个可以有一天能够使化学制造更浪费和更环保的声音的实际应用。

该研究由伊利诺伊大学Urbana-Champaigh研究员David Flaherty，明尼苏达大学，双城市研究员Matthew Neurock和弗吉尼亚科技研究员Ayman Karim发表在学报。

结合溶剂和金属纳米颗粒加速了许多化学反应，有助于最大限度地提高化学工业的收益率和利润率。然而，研究人员说，许多溶剂有毒，难以安全地处理。水也有效，但它与有机溶剂几乎是高效或可靠的。差异的原因被认为是一些反应物在水中的有限溶解度。然而，实验数据中的多个违规性导致团队实现这些差异的原因尚未完全理解。

为了更好地理解该过程，团队进行实验，分析氧气对过氧化氢的减少 - 用水，另一种用甲醇和其他水和甲醇混合物组合。所有实验都使用钯纳米颗粒。

研究生Abinaya Sampath，Left和Tomas Ricciardulli;化学与生物分子工程教授大卫弗莱赫蒂;和研究生Jason Adams。

“在甲醇的实验中，我们观察到伊利诺伊州化学和生物分子工程教授的Flaherty，观察到留下有机残留物或浮渣的溶剂的自发分解，”伊利诺伊州化学和生物分子教授。“在一些情况下，泡沫状残留物将纳米颗粒紧贴着并增加反应速率和形成的过氧化氢量而不是阻碍反应。这种观察使我们想知道它是如何帮助的。“

该团队发现残留物或表面氧化还原介体，含氧物种，包括关键组分羟甲基。研究报告，它积聚在钯纳米颗粒表面上并打开新的化学反应途径。

“形成一旦形成，残留物成为催化循环的一部分，可能对过去40岁的溶剂中的一些不同效率负责，”Flaherty说。“我们的工作提供了强有力的证据表明这些表面氧化还原介质在酒精溶剂中形成，并且它们可以解释许多过去的这种化学的奥秘。”

通过使用多种类型的实验和计算模拟，该团队了解到这些氧化还原介质有效地将两个质子和电子转移到反应物中，而纯净水转移质子的反应容易，但不是电子。研究报告，这些介质也以降低质子和电子转移的能量屏障降低能量屏障的方式改变纳米颗粒表面。

“我们表明酒精溶剂以及有机添加剂可以反应形成金属结合的表面介质，以与我们身体中的酶辅因子在催化氧化和还原反应中进行的相同方式，”Neurock表示。

此外，这项工作可能对降低化学工业中产生的溶剂量和废物的影响可能具有影响。

“我们的研究表明，对于某些情况，化学生产者可以通过向纯水中加入少量添加剂来形成表面氧化还原介质，而不是通过这些反应器泵送数千加仑的有机溶剂，”Flaherty说。

参考：“溶剂分子形成表面氧化还原介质的原位和助氧化物氧化剂在PD上的氧化钙介质”由Jason S. Adams，Ashwin Chemburkar，Pranwin Chemburkar，Pranjali Priyadarshini，Tomas Ricciardulli，Yubing Lu，Vineet Maliekkal，Abinaya Sampath，Stuart Winikoff，Ayman M. Karim，Matthew Neurock和David W. Flaherty，2020年2月5日，Science.doi：
10.1126 / science.abc1339.

通过EBI-Shell计划和国家科学基金会的能源和生物科学研究所支持这项研究。